Nanoporöse Materialien besitzen Poren mit einem Durchmesser im Nano- und Subnanometerbereich. Durch ihre hochporöse Struktur haben sie hohes Potenzial als Energiespeicher, Filter oder in der Pharmazie genutzt zu werden. Experten sprechen von „Zukunftsmaterialien“.
Wie ein Schwamm
Die hochporösen Materialien können Gas ähnlich aufnehmen, wie ein Schwamm Flüssigkeit aufsaugt. Im Hinblick auf die Speicherung von Wasserstoff in Pkw-Tanks werden sie daher intensiv untersucht. Die Materialien werden zukunftsorientiert auf weitere Einsatzmöglichkeiten erforscht. Sie könnten als molekulares Sieb zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen dienen. In ihren Poren könnten medizinische Wirkstoffe eingelagert und gezielt abgegeben werden. Sie scheinen für Anwendungen in der Katalyse, Optik und Sensorik geeignet zu sein.
Aquamarin, ein zartblauer Edelstein
Die Eigenschaften der kristallinen und nanoporösen Materialien hängen neben der inneren Oberfläche von den eingelagerten Fremdatomen ab. Der zartblaue Aquamarin etwa wäre ohne solche Fremdatome farblos. Die Bestimmung der Art und Position von diesen Fremdatomen ist jedoch schwierig, da viele Materialien sensibel auf die abgegebene Strahlung von Elektronenmikroskopen reagieren.
„Die Einzigartigkeit unserer Methode“
Ein Team um Daniel Knez und Ferdinand Hofer vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz hat nun eine Methode entwickelt, die die Analyse strahlungsärmer und zugleich einfacher machen soll. „Die Einzigartigkeit unserer Methode liegt darin, dass wir ausgehend von einem einzigen elektronenmikroskopischen Bild die dreidimensionale Verteilung von Ionen in Nanoporen ermitteln können“, erklärte Knez.
Der Aquamarin diente den Forschern dabei als Modellstruktur. Bisher war nicht geklärt, wo exakt das farbgebende Eisen positioniert ist. Eine Vermutung war: Die Eisenatome stecken in den Poren und verleihen so die blaue Farbe.
Das hat das Grazer Team jetzt widerlegt: Sie haben festgestellt, dass in den Poren unregelmäßig verteilte Cäsiumionen stecken. Die farbgebenden Eisenatome befinden sich in direkter Nähe, sind aber in die Säulen des Kristallgitters integriert. So erklären die Forschenden ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Communications Materials“.
Ein Strahl findet die Ionen
Das Team hat mit dem atomar auflösenden Austrian Scanning Transmission Electron Microscope (ASTEM) ein sogenanntes Z-Kontrast-Bild aufgenommen. Der ASTEM-Elektronenstrahl wurde auf die Kristallprobe fokussiert, er dringt in die Poren des Materials ein. Trifft der Strahl auf dort eingelagerte Ionen, erscheinen sie als helle Punkte im Bild. Durch Kontrastunterschiede zwischen den leeren Poren und den angrenzenden Gitterstrukturen konnten die Forschenden die Art der eingelagerten Ionen bestimmen und abschätzen, wie tief sie in den Poren sitzen.
Die neuartige Methode könne neben der Grundlagenforschung auch für die gezielte Entwicklung neuer Materialien eingesetzt werden: „Mit unserer Methode kann die Position von Dotierelementen, also gezielten funktionssteuernden Zusätzen, in nanoporösen Materialien wie Zeolithen oder metallorganischen Gerüstverbindungen genau bestimmt werden“, betonte Hofer. Dies könnte etwa die Optimierung von (Einzelatom-)Katalysatoren und Festkörperelektrolyten in zukünftigen Batterien erleichtern oder die Entwicklung biomedizinischer Anwendungen zur Steuerung der Medikamentenaufnahme.